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油气管道直流杂散电流腐蚀防护研究进展

文档作者：孙云峰1,李毅2,王中良1,梁晶3 文档来源： 1.中石油北京油气调控中心 2.中石油西南管道公司 3.中石油规划总院		点击数：	更新时间： 2024年06月30日
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上一篇：油气田管道建设过程中防腐和防护措施

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2015 年
第6 期Pipeline Technique and Equipment
2015
No． 6
收稿日期:2014-11-25 收修改稿日期:2015-06-20
油气管道直流杂散电流腐蚀防护研究进展
孙云峰1,李 毅2,王中良1,梁 晶3
(1.中石油北京油气调控中心,北京 100007;2.中石油西南管道公司,四川成都 610041;3.中石油规划总院,北京 100083)
摘要:以国内外油气管道直流杂散电流腐蚀的研究成果为基础,分析了直流杂散电流腐蚀的机理、
特点,列举了国内外直流杂散电流腐蚀测试方法,同时总结了目前直流杂散电流腐蚀的防护技术与防
护方案。基于国内外对直流杂散电流腐蚀的研究进展,通过对比分析,提出了测试与防护的相关建议。
关键词:油气管道;直流杂散电流;测试;防护措施;腐蚀
中图分类号:TE988 文献标识码:A 文章编号:1004-9614(2015)06-0034-03
Development of DC Stray-current Corrosion Protection Study
on Oil and Gas Pipeline
SUN Yun-feng1, LI Yi2,WANG Zhong-liang1,LIANG Jing3
(1.PetroChina Oil and Gas Pipeline Control Center,Beijing 100007,China;
2.PetroChina Southwest Pipeline Company,Chengdu 610041,China;
3.PetroChina Planning and Engineering Institute,Beijing 100083,China)
Abstract: Based on the research results of DC stray-current corrosion of oil and gas pipeline at home and abroad, the mechanism
and characteristics of DC stray-current corrosion were analyzed. The DC stray-current corrosion test methods at home and abroad
were listed. At the same time, the current DC stray-current corrosion protection technology and protection scheme were
summarized. Based on the study of DC stray-current corrosion at home and abroad, advices on testing methods and protection
strategies are given by comparision.
Key words: oil and gas pipeline;DC stray-current;monitoring;protection; corrosion
1 直流杂散电流腐蚀机理及特点
当直流电流沿地面敷设的铁轨流动时,直流电流
从铁轨绝缘不良处泄漏到大地,进入管道,沿管道流
动一段距离后,又从管道流入土壤,在电流流出的部
位,管道发生腐蚀,即杂散电流腐蚀。杂散电流腐蚀
示意图见图1。
Thomas J. Barlo 和Alan D. Zdunek[1] 认为杂散电
流的腐蚀特性具有以下特点:腐蚀强度大;腐蚀集中
于局部位置;腐蚀范围广,随机性强。
2 杂散电流测试方法
传统的测试方法主要包括[2] :管地电位测量法;
现有的电气连接监控;电压和电流检查;整流器/ 变压
器电压和电流检查。
近几年,经过研究实验,国外学者对传统的测试
方法做出了一些改进,同时也提出了一些新的方法。
K. Looijenga 等[3] 提出利用试片法对管道直流干
扰进行测试。该方法的现场测试方案见图2。在腐蚀
图1 杂散电流对埋地管道的腐蚀示意图
试片上制造一定大小的防腐层缺陷,来模拟管道上的
防腐层缺陷,然后将试片埋设在管道附近并通过测试
桩内的数据记录器与管道连接,同时参比电极也通过
数据记录器与管道连接。这样,数据记录器就可以测
量记录直流电流密度、阴极保护断电极化电位Eoff 等
参数,对管道杂散电流腐蚀情况作出评价。
Kenneth． J. Moody[4] 提出3 种新的杂散电流测量
方法:在铁路沿线埋设一系列锌阳极参比电极,通过
第6 期孙云峰等:油气管道直流杂散电流腐蚀防护研究进展 35
图2 试片法现场测试方案
测量各参比电极之间的电位变化对杂散电流的变化
进行监测,这种方法缺点是成本太高;在变电所周边
埋设永久Cu/ CuSO4 参比电极,通过测量变电所周围
电位变化和电流方向监测杂散电流,这种方法只在沿
线轨地电阻较稳定时较准确;在铁轨下方混凝土道床
内嵌入测试网监测杂散电流,这种方法成本较高。
W. Parker 和James Walton 提出利用电磁杂散电
流测绘仪以及相关分析软件,对测量管线周围的电磁
场进行测量和分析,以完成对杂散电流的检测和分
析[5] 。同时提出:对于动态杂散电流,可在管道沿线
利用信号发送器和接收器完成监测;对于外部阴极保
护系统造成的静态杂散电流,可在外部阴极保护系统
上安装断流器,然后对杂散电流进行测量。
台闯、李博文等[6] 在了解仪器特点的基础上,结
合国内外标准研制了SCM-4200 型交直流杂散电流测
量仪,在一定程度上满足了不同用户的要求。但是,
还需要大量的现场实践去检验和完善。
国内外学者利用新方法及仪器对杂散电流进行
监测,现场实验效果有待进一步验证,有些测试效果
可以保证,但投资较大。
3 直流杂散电流腐蚀防护方法
目前杂散电流防护设计方法可分为2 类:控制杂
散电流产生的源头,减少杂散电流的产生;对已产生
的杂散电流采取排流措施,减轻其腐蚀危害。
3.1 源控制法
(1)提高牵引网压。
(2)合理设置变电所。缩短供电半径,增设变电
所,采用双边供电。
(3) 降低回流回路的阻值。增大钢轨横截面积;
走行轨尽量选用重型轨(如60 kg/ m 型轨),且钢轨应
焊接成长钢轨;各段走行轨之间都应有畅通的电气连
接,在道岔与撤岔的连接部位设置电缆连接;安装均
流电缆,可以将回路电阻降至原来的l/4 左右。
(4) 增加杂散电流流通路径的电阻。可采用以
下措施:
增加轨道对地的过渡电阻。合理调整混凝土配
料,Jack Tinnea 和Ryan Tinnea[7] 经过反复实验证明,
由标准水泥、减水剂、防水剂、矿渣、粉煤灰、浓缩二氧
化硅等矿物质混合物按一定比例混合而成的混凝土
电阻明显提高;Ian Cotton 等[8] 通过模拟证明,使用浮
动轨道可以有效地减少杂散电流的泄漏。
增加埋地金属管线的阻值。管道支架、穿结构套
管与管道之间加绝缘橡胶垫;管道需安装绝缘接头或
绝缘法兰;管道外部覆盖层要求完整无针孔,与金属
管道结合牢固;管道和铁轨交叉采取垂直方式,交叉
处管段采取特加强防腐。
3.2 排流保护
排流保护法可以分为直接排流法、极性排流法、
强制排流法和接地排流法。杨华、史秀敏[9] 研制了一
种管道杂散电流智能排流装置,该装置既能独立进行
管道杂散电流的实时在线监测和自动排流,也可以作
为管道杂散电流监测防护系统的一部分,将装置的工
作状态和工作参数等通过无线通信方式远传到监控
中心。但此装置的实际应用效果有待进一步验证。
3.3 阴极保护
3． 3． 1 外加电流阴极保护
杂散电流干扰存在时,通常根据实测管地电位调
整阴极保护系统外加电流大小,使受干扰管道处于保
护电位(-0． 85 V),而由于管/ 地电位测量中土壤IR
降的存在,实际管道电位并未处于保护电位。根本原
因是:
Eon =Eoff +IR (1)
式中:Eon为通电保护电位;Eoff 为断电瞬间极化电位,
是真实电位,也是相关准则所确认的-0.85 V 电位;IR
为土壤电阻电压降,随杂散电流变化而变化。
可见,Eon 处于- 0. 85 V 时,真实电位Eoff 小于
-0.85 V。
为此,L. Lazzari 等[10] 提出一种基于真实电位检
测的杂散电流防护方法。首先,在理论上进行了推
导,得出如下结论:
∂Eon
∂t =k ∂Iprobe
∂t (2)
式中:k 为常数;Iprobe为通过腐蚀试片的电流。
这一方程说明,Iprobe 随时间的变化趋势与Eon 相
同。
经过理论推导与实验研究,L. Lazzari, M. Or36
Pipeline Technique and Equipment Nov． 2015
mellese 认为测量试片电流值(以电压信号测得),并以
此作为依据使阴极保护系统改变外加电流大小,设定
一个最小阴极保护电流IP ,I 为测得试片电流值,则
ΔI =I-IP ,依据ΔI 来改变外加电流大小,这样可以有
效改进阴极保护系统,消除IR 降的影响,改善杂散电
流防护效果。他们提出的测量方案见图3,包含试片
的探测器结构见图4。
图3 试片电流测量方案
图4 探测器内部结构图
3． 3． 2 牺牲阳极阴极保护
在矿井的井套管直流杂散电流腐蚀防护方面,
I.A.Metwally等[11] 将一根不使用的井套管作为牺牲阳
极去保护与其并行的正在使用的井套管,取得了良好
的保护效果,同时对井套管的布置方式做了说明,如
图5 与图6 所示。
图5 废弃套管保护1 个相邻的在役套管
图6 废弃套管保护3 个相邻的在役套管
对于受杂散电流腐蚀较严重的管段,可以考虑将
一段废弃的管道作为牺牲阳极按照一定间距与被保
护管段平行铺设,缓解这一管段的杂散电流腐蚀。
3.4 杂散电流收集法
由于道床钢筋更靠近钢轨,是杂散电流的第一层
收集网,将道床钢筋纵向焊接形成一层纵向电气通
路,并赋于道床钢筋一定的截面, 就形成了杂散电流
收集钢筋网。这是主要针对运营期间,当先期防护措
施逐渐失效或渗水等因素造成大量杂散电流时而采
取的防护措施。
Ian Cotton 等[8,12] 研究了土壤电阻对直流轨道系
统以及地下设施杂散电流腐蚀的影响,研究结果表
明,道床下的土壤特征对道床中杂散电流收集网的收
集效果有很大影响:土壤电阻越大,收集效果越好。
对于水平土壤特征模型(图7),上层土壤电阻小于下
层时,收集网效果较好,即土壤电阻随土壤深度增大
时收集网的效果较好。
图7 两层水平土壤特征模型
竖直土壤特征模型如图8 所示,A、B、C、D 四层土
壤,电阻小的土壤层中收集网效果较差,泄漏杂散电
流较多,管道腐蚀较严重。因此,获得轨道沿线土壤
特征的详细信息,对杂散电流收集网的设计与优化有
重大意义。
图8 4 层竖直土壤特征模型
4 结束语
通过对国内外埋地管道直流杂散电流的测试方
法进行对比分析,考虑到投资费用以及测试的准确
性,推荐采用腐蚀试片法进行杂散电流的监测。
通过对国内外埋地管道直流杂散电流腐蚀的防
护方法进行对比分析,本文认为:
(1)全面采用国内外的各种源控制方法,力争从
源头上消除杂散电流。
(下转第39 页)
第6 期罗鹏等:Q235 钢在冻土区管线土壤腐蚀性研究 39
相差最大。
2． 2． 2 测试结论
(1)随着含水量的不断升高,Q235 钢在土壤样品
中的腐蚀速率存在逐渐扩大的趋势。这是因为水分
能使土壤形成电解质进而形成腐蚀原电池,含水量显
著影响土壤的理化性质,进而影响金属的土壤腐蚀行
为。
(2)温度越高,Q235 钢在土壤样品腐蚀速率越
高。这是因为温度升高,氧含量升高,Q235 钢在土壤
样品中主要起着阴极去极化的作用,去极化导致自腐
蚀电流增加,土壤对Q235 钢的腐蚀作用增强[6] 。其
腐蚀反应为:
Fe →Fe2+ +2e (阳极反应)
12
O2 +H2O+2e →2OH-(阴极反应)
(3)在同一温度下,沼泽湿地的土壤腐蚀性要高
于山坡林地的土壤腐蚀性,这主要是由于两者理化性
质所决定的。3 结论
在同一温度下,冻土区沼泽湿地的土壤腐蚀性高
于山坡林地的土壤腐蚀性,随着温度上升,土壤腐蚀
性呈增强的趋势。随着土壤样品含水量的增加,电
荷转移电阻呈现逐渐增大的趋势。
参考文献:
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作者简介:罗鹏(1982—),工程师,硕士,主要从事油气管道腐
蚀与防护技术研究工作。
E-mail: kjluopeng@ petrochina.com.cn
(上接第36 页)
(2)将传统排流方法与阴极保护相结合。对于外
加电流阴极保护,为消除IR 降对阴极保护效果的不
利影响,可采用电流作为保护判据,按照L. Lazzari 和
M.Ormellese等提出的方案改进阴极保护系统。对于
牺牲阳极阴极保护,I.A.Metwally 等利用废弃井套管作
为牺牲阳极保护临近在用井套管的方法值得借鉴。
(3)采用杂散电流收集法时,了解轨道沿线土壤
特征的详细信息,如土壤电阻大小、横向纵向土壤电
阻的变化等,对杂散电流收集网的优化设计有重要意
义。
参考文献:
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作者简介:孙云峰(1986—),工程师,硕士,主要从事液体管道
调度运行工作。
E-mail:sunyunfengchinasun@ 163.com
油气管道直流杂散电流腐蚀防护研究进展
作者： 孙云峰， 李毅， 王中良， 梁晶， SUN Yun-feng， LI Yi， WANG Zhong-liang， LIANG
Jing
作者单位： 孙云峰,王中良,SUN Yun-feng,WANG Zhong-liang(中石油北京油气调控中心,北京,100007)，
李毅,LI Yi(中石油西南管道公司,四川成都,610041)， 梁晶,LIANG Jing(中石油规划总院,北
京,100083)
刊名：
管道技术与设备
英文刊名： Pipeline Technology and Equipment
年，卷(期)： 2015(6)
引用本文格式：孙云峰.李毅.王中良.梁晶.SUN Yun-feng.LI Yi.WANG Zhong-liang.LIANG Jing 油气管道直流杂散电
流腐蚀防护研究进展[期刊论文]-管道技术与设备 2015(6)

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